JP5975417B2 - Manufacturing method of light receiving element - Google Patents

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Description

本発明は、近赤外域〜中赤外域の光を受光対象とする、受光素子、半導体エピタキシャルウエハ、これらの製造方法および検出装置に関するものである。   The present invention relates to a light receiving element, a semiconductor epitaxial wafer, a manufacturing method thereof, and a detection apparatus that receive light in a near infrared region to a mid infrared region.

近赤外域〜中赤外域の光は、動植物などの生体や環境に関連した吸収スペクトル域に対応するため、受光層にIII−V族化合物半導体を用いた近赤外域〜中赤外域の光の検出器の開発が行われている。たとえば受光層にExtended−InGaAsを用いることで波長2.6μmまで感度を持たせた受光素子アレイに、読み出し回路(ROIC:Read-out IC)であるCMOS(Complementary Metal−Oxide Semiconductor)を接続して、光電荷を出力信号に変換する検出器の例が発表されている(非特許文献1)。その受光素子アレイでは、窓層にはInGaAs受光層に格子整合するInAsPを用いている。   Near-infrared to mid-infrared light corresponds to an absorption spectrum region related to living organisms such as animals and plants, and the environment. Therefore, near-infrared to mid-infrared light using a III-V compound semiconductor for the light receiving layer is used. Detectors are being developed. For example, a CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), which is a read-out IC (ROIC), is connected to a light-receiving element array that has sensitivity up to a wavelength of 2.6 μm by using Extended-InGaAs for the light-receiving layer. An example of a detector that converts photocharge into an output signal has been published (Non-Patent Document 1). In the light receiving element array, InAsP that lattice matches with the InGaAs light receiving layer is used for the window layer.

また受光層にInGaAs/GaAsSbのタイプ2型の多重量子井戸構造(MQW:Multi-Quantum Wells)を用い、画素領域をp型としたpin型フォトダイオードについて、波長2.5μmまで感度を持つことが報告されている(非特許文献2)。
また、GaSb基板上に(InAs/GaSb)のタイプ2の多重量子井戸構造(MQW:Multiple Quantum Well)を受光層とする受光素子の提案がなされている(非特許文献3)。この受光素子によれば、波長12μmの近くにまで感度を持つことが示されている。
また、GaSb基板上に(InAs/GaSb)のタイプ2のMQWを受光層として、その受光層の中間にバリア層を配置したnBn(n型層/バリア層/n型層)構造の受光素子が提案されている(非特許文献4)。nBn構造はpin構造と比較して、光の検出に正孔の拡散を用いるため画素分離のためのメサエッチングが浅くて済み、メサ構造の側壁を流れるノイズ電流を小さくできる利点がある。
In addition, a pin-type photodiode having an InGaAs / GaAsSb type 2 type multi-quantum well structure (MQW: Multi-Quantum Wells) in the light receiving layer and having a pixel region of p-type has sensitivity up to a wavelength of 2.5 μm. It has been reported (Non-Patent Document 2).
In addition, a light-receiving element has been proposed in which a light-receiving layer has an InAs / GaSb type 2 multiple quantum well (MQW) structure on a GaSb substrate (Non-patent Document 3). According to this light receiving element, it is shown that the sensitivity is close to a wavelength of 12 μm.
In addition, a light-receiving element having an nBn (n-type layer / barrier layer / n-type layer) structure in which (InAs / GaSb) type 2 MQW is used as a light-receiving layer on a GaSb substrate and a barrier layer is disposed in the middle of the light-receiving layer. It has been proposed (Non-Patent Document 4). Compared with the pin structure, the nBn structure uses hole diffusion for light detection, so that mesa etching for pixel separation is shallow, and there is an advantage that noise current flowing through the side wall of the mesa structure can be reduced.

高橋秀夫ら「近赤外用InGaAs光検出器」,OPTRONICS(1997),No.3, pp.107-113Hideo Takahashi et al. “InGaAs photodetector for near infrared”, OPTRONICS (1997), No.3, pp.107-113 R.Sidhu, N.Duan,J.C.Campbell, and A.L.Holmes,Jr.," A 2.3μm cutoff wavelength photodiode on InP using lattice-matched GaInAs-GaAsSbtype II quantum wells”2005International Conference on Indium Phosphide andRelated MaterialsR.Sidhu, N.Duan, J.C.Campbell, and A.L.Holmes, Jr., "A 2.3μm cutoff wavelength photodiode on InP using lattice-matched GaInAs-GaAsSbtype II quantum wells” 2005 International Conference on Indium Phosphide and Related Materials Binh-Minh Nguyen, Darin Hoffman, Yajun Wei, Pierre-Yves Delaunay, Andrew Hood, and Manijeh Razeghi, ”Very high quantumefficiency in type-II InAs/GaSb superlatticephotodiode with cutoff of 12 μm” Appl. Phys. Lett., Vol.90, 231108Binh-Minh Nguyen, Darin Hoffman, Yajun Wei, Pierre-Yves Delaunay, Andrew Hood, and Manijeh Razeghi, `` Very high quantumefficiency in type-II InAs / GaSb superlatticephotodiode with cutoff of 12 μm ”Appl. Phys. Lett., Vol. 90, 231108 H.S.Kim, E.Plis, J.B.Rodriguez, G.D.Bishop, Y.D.Sharma, L.R.Dawson, S.Krishna, J.Bundas, R.Cook, D.Burrows, R.Dennis, K.Patnaude, A.Reisinger and M.Sundaram, “Mid-IR focal plane arraybased on type-II InAs/GaSbstrain layer superlattice detector with nBn design” Appl. Phys. Lett., Vol.92, 183502HSKim, E. Plis, JBRodriguez, GDBishop, YDSharma, LRDawson, S. Krishna, J. Bundas, R. Cook, D. Burrows, R. Dennis, K. Patnaude, A. Reisinger and M. Sundaram , “Mid-IR focal plane arraybased on type-II InAs / GaSbstrain layer superlattice detector with nBn design” Appl. Phys. Lett., Vol.92, 183502

しかし、上記の非特許文献1の近赤外用InGaAs光検出器(イメージセンサ)では、InP基板に格子整合しない組成のInGaAsを受光層としているため、暗電流が大きくなりノイズが大きい。また検出可能な波長は、2.6μmを超えることは難しい。
また、非特許文献2の受光素子についても、実際に波長3μmにまで届いた例は報告されていない。
非特許文献3の受光素子については、GaSb基板は高価であり、品質にも大きなばらつきがみられ、量産性という点で問題がある。とくに本質的な問題は、GaSbは中赤外域に自由キャリアによる吸収があるため、アレイ化した画素において必然となる基板裏面入射において感度の低下を生じる。
非特許文献4の受光素子については、上記の非特許文献3と同様の問題があり、量産性という点で、困難に遭遇する。
However, the near-infrared InGaAs photodetector (image sensor) of Non-Patent Document 1 described above uses InGaAs having a composition that does not lattice match with the InP substrate as a light receiving layer, so that dark current increases and noise increases. Further, it is difficult for the detectable wavelength to exceed 2.6 μm.
In addition, with respect to the light receiving element of Non-Patent Document 2, there has been no report of an example that actually reaches a wavelength of 3 μm.
Regarding the light-receiving element of Non-Patent Document 3, the GaSb substrate is expensive, has a large variation in quality, and has a problem in terms of mass productivity. A particularly essential problem is that GaSb has absorption due to free carriers in the mid-infrared region, so that the sensitivity is lowered at the backside incidence of the substrate, which is inevitable in an arrayed pixel.
The light receiving element of Non-Patent Document 4 has the same problem as that of Non-Patent Document 3 described above, and encounters difficulty in terms of mass productivity.

本発明は、近赤外域〜中赤外域にわたって高い受光感度を持ち、安定して高品質が得られる、受光素子、そこで用いられる半導体エピタキシャルウエハ、これらの製造方法、および検出装置を提供することを目的とする。   The present invention provides a light receiving element, a semiconductor epitaxial wafer used therein, a manufacturing method thereof, and a detection apparatus, which have high light receiving sensitivity in the near infrared region to the mid infrared region and can stably obtain high quality. Objective.

本発明の受光素子は、III−V族化合物半導体により形成される。この受光素子は、波長3μm〜12μmの光に透明なInP基板と、InP基板に接して位置するバッファ層と、バッファ層に接して位置する多重量子井戸構造を有する受光層とを備える。そして受光層は、カットオフ波長が3μm以上であり、かつバッファ層に格子整合している。格子定数a2をもつバッファ層および格子定数a1をもつInP基板において|a2 −a1 |/a1の値が、形式的な格子整合条件の範囲を越えているGaSb層からなる当該バッファ層が前記InP基板直接エピタキシャル成長している。また、前記バッファ層は、1μm以上の厚みを有し、前記多重量子井戸構造は、Ga元素及びSb元素を構成元素として含むことを特徴とする。
The light receiving element of the present invention is formed of a III-V group compound semiconductor. The light receiving element includes an InP substrate transparent to light having a wavelength of 3 μm to 12 μm, a buffer layer positioned in contact with the InP substrate, and a light receiving layer having a multiple quantum well structure positioned in contact with the buffer layer. The light receiving layer has a cutoff wavelength of 3 μm or more and is lattice-matched to the buffer layer. The buffer layer comprising a GaSb layer having a value of | a 2 −a 1 | / a 1 exceeding the range of formal lattice matching conditions in a buffer layer having a lattice constant a 2 and an InP substrate having a lattice constant a 1 layer is directly epitaxially grown on the InP substrate. The buffer layer has a thickness of 1 μm or more, and the multiple quantum well structure includes a Ga element and an Sb element as constituent elements.

III−V族化合物半導体では、元素の組成を変えることにより格子定数が変化するので、エピタキシャル層を成長するとき下層の格子定数に整合するようにエピタキシャル層の組成をきめ細かく変えるのが普通である。これによって、格子欠陥密度の小さいIII−V族化合物半導体の積層体が形成され、受光素子において最重要視される指標の1つである暗電流を低くすることができる。受光素子に限らず他の半導体素子でも格子欠陥密度を低くすることは一定レベルの特性を得るために必要である。このようなIII−V族化合物半導体に特有の、またはIII−V族に限らず化合物半導体に特有の事情を反映して、低い格子欠陥密度を重視することを考える。その場合、下層の格子定数sとその上に成長される上層の格子定数sで表される格子不整合度:|s−s|/(sまたはs)はできるだけ低い値、たとえば、InGaAs/InP系では(0.002乃至0.003)以下が望ましい。また、一般に、格子整合は上記の格子不整合度が0.005以下ということが知られている。これらを考え合わせて、格子不整合度が0.005以下という範囲を、上述の形式的な格子整合条件の範囲とみることができる。形式的な格子整合条件の範囲を超える、とは、格子不整合度が0.005を超えるということである。
しかしながら、実際には、格子不整合度の限界値は、材料系に依存するため、本発明が対象とするGaSb/InP系では、格子不整合度が大きくても結晶性の良好なIII−V族化合物半導体の積層体を形成することができる。これまでの形式的に格子定数のみを取り入れた格子整合条件では、下層に対して上層がエピタキシャル成長するか否かは決めることができない。本発明は、まさにこのような例が現れた実証データに基づく発明である。
ここで、バッファ層がInP基板に格子整合している、と述べずに、エピタキシャル成長している、としたのは、格子整合という用語には、成長層および被成長層の両方の格子定数が近い範囲にあることを暗黙に意味する場合もあり、そのような誤解を避けるためにエピタキシャル成長の語を用いた。換言すれば、成長層および被成長層の両方の格子定数が大きく相違するにもかかわらず、低い格子欠陥密度で、“格子整合”または“ほぼ格子整合”を保ちながら成長する場合をエピタキシャル成長と呼ぶ。
上記の構成によれば、良好な結晶性で知られるInP基板を用いて、格子整合条件に適合しないバッファ層を形成して、そのバッファ層上に格子整合するMQWの受光層を得ることができる。InPのバンドギャップは1.35eVなので、カットオフ波長3μmの受光層が受光対象とする波長域の光は吸収しない。バンドギャップ1.35eVは波長1μm弱の短い波長に対応する。このため、基板裏面入射が必然となる二次元配列された画素を備える受光素子において、基板に対象光をまったく吸収されないので、高い受光感度を保持できる。カットオフ波長が3μm以上のMQWには、たとえタイプ2のMQWであっても、InP(格子定数5.869Å)よりも格子定数が大きいIII−V族化合物半導体の基板を用いるのが普通である。タイプ2のMQWを用いて受光における電子の遷移エネルギを小さくしても、カットオフ波長3μmという長い波長(小さい遷移エネルギ)を実現するには、InPよりも格子定数の大きい基板が必要である。InP基板よりも格子定数の大きい基板は、大きな格子定数も含む種々の要因により近赤外〜中赤外の光を吸収する。基板は厚みが厚いため、基板による対象光の吸収は、大きな感度低下の要因となる。
In the group III-V compound semiconductor, the lattice constant is changed by changing the composition of the element. Therefore, when the epitaxial layer is grown, the composition of the epitaxial layer is usually changed finely so as to match the lattice constant of the lower layer. As a result, a stacked body of III-V group compound semiconductors having a low lattice defect density is formed, and the dark current, which is one of the most important indices in the light receiving element, can be reduced. In order to obtain a certain level of characteristics, it is necessary to reduce the lattice defect density not only in the light receiving element but also in other semiconductor elements. Considering the importance of low lattice defect density, reflecting the circumstances peculiar to such III-V compound semiconductors, or not only III-V groups but also peculiar to compound semiconductors. In that case, the degree of lattice mismatch: | s 1 −s 2 | / (s 2 or s 1 ) represented by the lower layer lattice constant s 1 and the upper layer lattice constant s 2 grown thereon is as low as possible. For example, in the InGaAs / InP system, (0.002 to 0.003) or less is desirable. In general, it is known that the degree of lattice mismatch is 0.005 or less. Considering these, the range in which the degree of lattice mismatch is 0.005 or less can be regarded as the range of the above-mentioned formal lattice matching conditions. Exceeding the range of formal lattice matching conditions means that the degree of lattice mismatch exceeds 0.005.
However, since the limit value of the degree of lattice mismatch actually depends on the material system, the GaSb / InP system targeted by the present invention has a good crystallinity even if the degree of lattice mismatch is large. A stack of group compound semiconductors can be formed. Whether the upper layer is epitaxially grown with respect to the lower layer cannot be determined under the conventional lattice matching conditions that only incorporate the lattice constant. The present invention is an invention based on demonstration data in which such an example appears.
Here, the buffer layer is epitaxially grown without saying that it is lattice-matched to the InP substrate. The term lattice matching is close to the lattice constants of both the growth layer and the grown layer. In some cases it is implied to be in range, and the term epitaxial growth was used to avoid such misunderstandings. In other words, a case where growth is performed while maintaining “lattice matching” or “substantially lattice matching” at a low lattice defect density even though the lattice constants of both the growth layer and the layer to be grown are greatly different. .
According to the above configuration, a buffer layer that does not conform to the lattice matching condition can be formed using an InP substrate known for good crystallinity, and an MQW light-receiving layer lattice-matched on the buffer layer can be obtained. . Since the band gap of InP is 1.35 eV, the light-receiving layer having a cutoff wavelength of 3 μm does not absorb light in the wavelength range to be received. A band gap of 1.35 eV corresponds to a short wavelength of less than 1 μm. For this reason, in the light receiving element including the two-dimensionally arranged pixels in which the back surface incidence of the substrate is inevitable, the target light is not absorbed at all by the substrate, so that high light receiving sensitivity can be maintained. For MQW having a cutoff wavelength of 3 μm or more, even if it is Type 2 MQW, it is common to use a substrate of a III-V group compound semiconductor having a larger lattice constant than InP (lattice constant 5.86986). . Even when the transition energy of electrons in light reception is reduced using Type 2 MQW, a substrate having a lattice constant larger than that of InP is required to realize a long wavelength (small transition energy) of a cutoff wavelength of 3 μm. A substrate having a larger lattice constant than the InP substrate absorbs near-infrared to mid-infrared light due to various factors including a large lattice constant. Since the substrate is thick, the absorption of the target light by the substrate causes a significant decrease in sensitivity.

上記のようにGaSb層からなるバッファ層を挿入することによって、InP基板に形成したカットオフ波長3μm以上のMQWによって、近赤外〜中赤外において高い感度を持つ受光素子を得ることができる。また、上記のようにInP基板は結晶性が安定して良好なものを得られるので、格子欠陥密度の上層への継承が生じても、安定して結晶性の良いMQWを得ることができ、暗電流を低くすることができる。また上記のInP基板の安定した良好な結晶性は、受光素子特性の均一化、および歩留まり向上をもたらす。さらに他のIII−V族化合物半導体の基板に比べて大口径の基板を得ることができるので、量産性にも優れる。   By inserting a buffer layer made of a GaSb layer as described above, a light receiving element having high sensitivity in the near infrared to mid infrared can be obtained by MQW formed on an InP substrate and having a cutoff wavelength of 3 μm or more. In addition, as described above, since the InP substrate has a stable and excellent crystallinity, even when the lattice defect density is inherited to the upper layer, an MQW having a good crystallinity can be stably obtained. Dark current can be reduced. In addition, the stable and good crystallinity of the InP substrate brings about uniformity of the light receiving element characteristics and an improvement in yield. Furthermore, since a large-diameter substrate can be obtained as compared with other III-V group compound semiconductor substrates, it is excellent in mass productivity.

なお、MQWの格子定数は、a層とb層との対の繰り返しでMQWが構成される場合、XRD(Xray Diffraction)パターンの周期性から決定される。バッファ層の格子定数については、InP基板上に直接成長した所定厚みのバッファ層の厚み全体にわたる平均値であるが、ハンドブック等に記載される材料固有の格子定数とほとんど同じである。
Note that the MQW lattice constant is determined from the periodicity of an XRD (Xray Diffraction) pattern when the MQW is configured by repeating pairs of the a layer and the b layer. The lattice constant of the buffer layer is an average value over the entire thickness of the buffer layer having a predetermined thickness directly grown on the InP substrate, but is almost the same as the lattice constant specific to the material described in the handbook or the like.

上記のバッファ層は、GaSb層から構成される。または、InP基板との関係において結晶特性がGaSb層と同じである層(以下、GaSb同等層)、から構成されてもよい。ここで、InP基板との関係において結晶特性がGaSb層(以下、GaSb同等層)と同じである、とは、Sbを含み、格子定数がGaSb層とほぼ同じであり、InP基板とは格子整合条件を逸脱しているが、上述の意味でエピタキシャル成長していることをいう。そして、当該GaSb同等層に格子整合して受光層を形成できることをいう。
これによって、InP(格子定数a=5.869Å)よりも格子定数が大きいGaSb(格子定数a=6.095Å)層、または、GaSb同等層、を介在させて、長波長側に受光感度を持つ、受光層をエピタキシャル成長することができる。バッファ層の厚みは、とくに限定しないが、厚み0.2μm以上とするのがよい。バッファ層の厚みが0.2μm以上ないと、つぎの問題を生じる。すなわち、バッファ層にグランド電極を設けるとき、エピタキシャル層を上層からバッファ層の所定厚みまでエッチングする際、バッファ層内でエッチング停止をする必要がある。バッファ層の厚みが0.2μm以上ないとエッチング停止のばらつき範囲に収まらなくなる。また、厚いほうは、所定範囲内で厚いほうが表層の結晶性を良好にできるので、1μm以上、好ましくは1.5μm以上または2μm以上とするのがよい。
実施の形態において詳しく説明するが、上記のバッファ層の厚み0.2μm以上は、上記InP/GaSbにおける臨界膜厚との関係でいえば、臨界膜厚をはるかに大きく超えている。格子不整合度が0.038のとき、臨界膜厚は厚く見積もって4nm(0.004μm)程度である。したがって、バッファ層の膜厚は臨界膜厚の数十倍以上ということができる。GaSbバッファ層は、少なくとも臨界膜厚の50倍以上の厚みを有する。100倍以上であってもよい。これはSb元素がもつサーファクタント効果などの特異性も関係していると考えられる。
上記のInP基板/GaSb層またはGaSb同等層のバッファ層は、格子整合の立場からはGaSb基板の代わりをしているとみることができる。GaSb基板を用いた場合、しかしながら、GaSbは、中赤外域に自由キャリアによる吸収が存在するので、この受光層の対象光を吸収する。基板は厚みが厚いため、GaSb基板による対象光の吸収は大きな感度低下を生じる。InP基板は、上述のように波長3μm以上の光を吸収しないので、良好な感度を保持することができる。
また、InP基板はGaSb基板に比べて、安定して結晶性が良好であり、受光素子の特性の均一化および歩留まり向上を得ることができる。また、InP基板はGaSb基板に比べて大口径が可能であり、量産性の点でも優れている。さらに非常に安価なので、経済性に優れた高品質の受光素子を提供することができる。
The buffer layer is composed of a GaSb layer. Alternatively, it may be composed of a layer (hereinafter referred to as GaSb equivalent layer) having the same crystal characteristics as the GaSb layer in relation to the InP substrate. Here, in relation to the InP substrate, the crystal characteristics are the same as those of the GaSb layer (hereinafter referred to as GaSb equivalent layer) means that Sb is included and the lattice constant is almost the same as that of the GaSb layer, and the lattice matching with the InP substrate. Although it deviates from the conditions, it means that it is epitaxially grown in the above-mentioned meaning. And it means that the light receiving layer can be formed by lattice matching with the GaSb equivalent layer.
As a result, a light receiving sensitivity on the long wavelength side through a GaSb (lattice constant a 2 = 6.095Å) layer having a larger lattice constant than InP (lattice constant a 1 = 5.869Å) or a GaSb equivalent layer. The light receiving layer can be epitaxially grown. The thickness of the buffer layer is not particularly limited, but is preferably 0.2 μm or more. If the thickness of the buffer layer is not 0.2 μm or more, the following problem occurs. That is, when the ground electrode is provided in the buffer layer, it is necessary to stop etching in the buffer layer when the epitaxial layer is etched from the upper layer to the predetermined thickness of the buffer layer. If the thickness of the buffer layer is 0.2 μm or more, it will not be within the variation range of etching stop. Also, the thicker one can be made to be 1 μm or more, preferably 1.5 μm or more, or 2 μm or more, since the thicker within the predetermined range, the better the crystallinity of the surface layer.
Although described in detail in the embodiment, the thickness of the buffer layer of 0.2 μm or more greatly exceeds the critical film thickness in terms of the relationship with the critical film thickness in the InP / GaSb. When the degree of lattice mismatch is 0.038, the critical film thickness is estimated to be about 4 nm (0.004 μm). Therefore, the thickness of the buffer layer can be said to be several tens of times the critical thickness. The GaSb buffer layer has a thickness of at least 50 times the critical film thickness. It may be 100 times or more. This is considered to be related to the specificity of the Sb element such as the surfactant effect.
From the standpoint of lattice matching, the above InP substrate / GaSb layer or GaSb equivalent buffer layer can be regarded as a substitute for the GaSb substrate. When a GaSb substrate is used, however, GaSb absorbs the target light of the light receiving layer because absorption by free carriers exists in the mid-infrared region. Since the substrate is thick, the absorption of the target light by the GaSb substrate causes a significant reduction in sensitivity. Since the InP substrate does not absorb light having a wavelength of 3 μm or more as described above, good sensitivity can be maintained.
Further, the InP substrate has stable and good crystallinity as compared with the GaSb substrate, and the characteristics of the light receiving element can be made uniform and the yield can be improved. Further, the InP substrate has a larger diameter than the GaSb substrate, and is excellent in mass productivity. Furthermore, since it is very inexpensive, it is possible to provide a high-quality light-receiving element that is excellent in economic efficiency.

波長3μm〜12μmの光に透明なInP基板を、硫黄(S)を添加していないInP基板とするのがよい。
硫黄(S)を含むInP基板は、波長3μm以上から透過率が減少して波長5μmで透過率がほとんどゼロに近づき、波長5μm以上でゼロになる。このため、InP基板には硫黄を含有しないものを用いなければならない。
An InP substrate that is transparent to light having a wavelength of 3 μm to 12 μm is preferably an InP substrate to which sulfur (S) is not added.
An InP substrate containing sulfur (S) has a transmittance that decreases from a wavelength of 3 μm or more, and approaches almost zero at a wavelength of 5 μm, and becomes zero at a wavelength of 5 μm or more. For this reason, an InP substrate that does not contain sulfur must be used.

波長3μm〜12μmの光に透明なInP基板としては、とくに、Fe含有InP基板またはノンドープInP基板とするのがよい。
Fe含有InP基板またはノンドープInP基板を用いることで、InP基板は波長3μm〜12μmの光に透明になり、この波長域の光を受光対象にする本発明の受光素子の感度を高めることができる。
As an InP substrate transparent to light having a wavelength of 3 μm to 12 μm, it is particularly preferable to use an Fe-containing InP substrate or a non-doped InP substrate.
By using the Fe-containing InP substrate or the non-doped InP substrate, the InP substrate becomes transparent to light having a wavelength of 3 μm to 12 μm, and the sensitivity of the light receiving element of the present invention that receives light in this wavelength region as a light receiving target can be increased.

受光層内にpn接合を有するようにできる。
上記の構成によって、高い受光感度を持つpin構造の赤外域の受光素子を提供することができる。
A pn junction can be provided in the light receiving layer.
With the above configuration, it is possible to provide an infrared light receiving element having a pin structure and high light receiving sensitivity.

または、受光層に、その受光層に格子整合しているIII−V族化合物半導体からなる挿入層を有し、該挿入層の伝導帯の底を、該受光層の伝導帯の底より高いものとすることができる。
これによって、高い受光感度を持つnBn(n型層/バリア層/n型層)構造の赤外域の受光素子を提供することができる。また、画素の独立性を確保しながらリーク電流を小さくすることができる。
Alternatively, the light receiving layer has an insertion layer made of a group III-V compound semiconductor lattice-matched with the light receiving layer, and the bottom of the conduction band of the insertion layer is higher than the bottom of the conduction band of the light receiving layer It can be.
Accordingly, an infrared light receiving element having an nBn (n-type layer / barrier layer / n-type layer) structure having high light receiving sensitivity can be provided. Further, the leakage current can be reduced while ensuring the independence of the pixels.

受光素子の受光層における多重量子井戸構造を、タイプ2のMQW、{(InAs/GaSb)、(InAs/InGaSb)、(InAsSb/GaSb)および(InAsSb/InGaSb)}のいずれかとすることができる。
これによって、受光素子は、近赤外〜中赤外(波長3μm〜12μm)に感度をもつ受光層を得ることができる。なお、InAsの格子定数6.058Å、GaSbの格子定数6.095Å、In0.2Ga0.8Sbの格子定数6.172Å、InAs0.92Sb0.08の格子定数6.092Åである。
The multiple quantum well structure in the light receiving layer of the light receiving element may be any of type 2 MQW, {(InAs / GaSb), (InAs / InGaSb), (InAsSb / GaSb), and (InAsSb / InGaSb)}.
Thereby, the light receiving element can obtain a light receiving layer having sensitivity in the near infrared to mid infrared (wavelength 3 μm to 12 μm). Note that the lattice constant of InAs is 6.0586, the lattice constant of GaSb is 6.095Å, the lattice constant of In 0.2 Ga 0.8 Sb is 6.172Å, and the lattice constant of InAs 0.92 Sb 0.08 is 6.092Å. .

InP基板の裏面から光が入射される構造を有することができる。
InP基板の裏面を入射面とすることで、二次元配列された受光素子(画素)をマイクロバンプ接続方式で読み出し回路(ROIC)の読み出し電極とコンパクトな構造で接続して小型化されたハイブリッド検出装置を得ることができる。というよりは、マイクロバンプ接続方式によらなければ、小型で使いやすいハイブリッド検出装置を得ることができない。その上で、InP基板が近赤外〜中赤外の光を吸収しないので、当該波長域に高い感度をもつ受光素子を得ることができる。
ここで、基板の側から光が入射される構造とは、基板裏面に設けた反射防止膜(AR(Anti-reflection)膜などが該当する。また、二次元配列された画素(受光素子)自体も基板裏面入射を予定しているので、当該構造に該当する。
It can have a structure in which light is incident from the back surface of the InP substrate.
By using the back surface of the InP substrate as the incident surface, two-dimensionally arranged light receiving elements (pixels) are connected to the readout electrodes of the readout circuit (ROIC) with a compact structure by the micro bump connection method, and the hybrid detection is miniaturized. A device can be obtained. Rather, a hybrid detection device that is small and easy to use cannot be obtained unless the micro bump connection method is used. In addition, since the InP substrate does not absorb near-infrared to mid-infrared light, a light receiving element having high sensitivity in the wavelength range can be obtained.
Here, the structure in which light is incident from the substrate side corresponds to an anti-reflection film (AR (Anti-reflection) film, etc.) provided on the back surface of the substrate, and two-dimensionally arranged pixels (light receiving elements) themselves. Since the backside incidence of the substrate is also planned, it corresponds to this structure.

本発明の検出装置は、上記のいずれかの受光素子と、読み出し回路(ROIC:Read Out IC)とを備え、受光素子における画素電極と、読み出し回路における読み出し電極とがバンプを介在させて接続されていることを特徴とする。
これによって、近赤外〜中赤外に高い受光感度をもち、コンパクトで小型化された検出装置を得ることができる。
The detection device of the present invention includes any one of the light receiving elements described above and a readout circuit (ROIC: Read Out IC), and the pixel electrode in the light receiving element and the readout electrode in the readout circuit are connected via a bump. It is characterized by.
As a result, a compact and downsized detection device having high light receiving sensitivity in the near infrared to mid infrared can be obtained.

本発明の半導体エピタキシャルウエハは、III−V族化合物半導体により形成されている。この半導体エピタキシャルウエハは、波長3μm〜12μmの光に透明なInP基板と、InP基板に接して位置するバッファ層とを備える。そして格子定数aを持つバッファ層および格子定数aを持つInP基板において、|a−a|/aの値が、形式的な格子整合条件の範囲を超えていて、バッファ層が、GaSb層から構成されていることを特徴とする。 The semiconductor epitaxial wafer of the present invention is formed of a III-V group compound semiconductor. This semiconductor epitaxial wafer includes an InP substrate that is transparent to light having a wavelength of 3 μm to 12 μm, and a buffer layer that is positioned in contact with the InP substrate. In the buffer layer having the lattice constant a 2 and the InP substrate having the lattice constant a 1 , the value of | a 2 −a 1 | / a 1 exceeds the range of the formal lattice matching condition. And a GaSb layer.

III−V族化合物半導体におけるエピタキシャル成長、および形式的な格子整合条件などについては、上記受光素子での説明がそのまま当てはまる。また、バッファ層をGaSb層で構成することの技術的意味についても、上述のとおりである。そして、GaSb同等層で形成することの技術的意味についても、上述のとおりである。
上記の構成によって、良好な結晶性で知られるInP基板を用いて、InPと格子整合しないとされる格子定数をもつバッファ層をGaSb層などで形成することでそのバッファ層の結晶性を比較的良好なものとできる。この半導体エピタキシャルウエハ上に当該バッファ層に格子整合するエピタキシャル層を成長させることができる。いわば、InP基板を用いながら、InPと格子定数が異なる基板を実現することができる。
Regarding the epitaxial growth in the III-V group compound semiconductor and the formal lattice matching conditions, the description in the light receiving element is applied as it is. The technical meaning of configuring the buffer layer with a GaSb layer is also as described above. The technical meaning of forming the GaSb equivalent layer is also as described above.
With the above structure, a buffer layer having a lattice constant that is not lattice-matched with InP is formed using a GaSb layer or the like by using an InP substrate that is known for good crystallinity. Can be good. An epitaxial layer lattice-matched to the buffer layer can be grown on the semiconductor epitaxial wafer. In other words, a substrate having a lattice constant different from that of InP can be realized while using an InP substrate.

上記のエピタキシャルウエハにおいて、波長3μm〜12μmの光に透明なInP基板を、Fe含有InP基板またはノンドープInP基板とすることができる。
これによって、厚みが大きい基板が、波長3μm〜12μmの範囲の光を吸収しないので、この波長域を受光対象とする本発明に係る受光素子の感度を高めることができる。
In the above epitaxial wafer, an InP substrate transparent to light having a wavelength of 3 μm to 12 μm can be an Fe-containing InP substrate or a non-doped InP substrate.
Accordingly, since the substrate having a large thickness does not absorb light in the wavelength range of 3 μm to 12 μm, the sensitivity of the light receiving element according to the present invention that receives light in this wavelength range can be increased.

上記のエピタキシャルウエハにおいて、バッファ層に格子整合する、多重量子井戸構造を含む第1半導体層を備えることができる。
上記の構成によって、結晶性の良好な多重量子井戸構造を含む第1半導体層を格子整合させて成長することができる。このため透過率の高いInP基板を用いて、受光感度の高い赤外域の受光素子を得ることができる。
The epitaxial wafer may include a first semiconductor layer including a multiple quantum well structure that is lattice-matched to the buffer layer.
With the above configuration, the first semiconductor layer including a multiple quantum well structure with good crystallinity can be grown while being lattice-matched. Therefore, it is possible to obtain an infrared light receiving element with high light receiving sensitivity using an InP substrate having a high transmittance.

半導体エピタキシャルウエハの第1半導体層に含まれる多重量子井戸構造を、タイプ2の多重量子井戸構造、{(InAs/GaSb)、(InAs/InGaSb)、(InAsSb/GaSb)および(InAsSb/InGaSb)}のいずれかとすることができる。
これによって、近赤外〜中赤外(波長3μm〜12μm)に高い感度をもつ受光素子を作製するための半導体エピタキシャルウエハを提供することができる。
A multiple quantum well structure included in the first semiconductor layer of the semiconductor epitaxial wafer is converted into a type 2 multiple quantum well structure, {(InAs / GaSb), (InAs / InGaSb), (InAsSb / GaSb), and (InAsSb / InGaSb)}. It can be either.
Thereby, it is possible to provide a semiconductor epitaxial wafer for producing a light receiving element having high sensitivity in the near infrared to mid infrared (wavelength 3 μm to 12 μm).

本発明の受光素子の製造方法は、InP基板にIII−V族化合物半導体が直接積層された受光素子を製造する。この製造方法は、波長3μm〜12μmの光に透明なInP基板を準備する工程と、InP基板に接してバッファ層を形成する工程と、バッファ層に接して該バッファ層に格子整合する、カットオフ波長3μm以上の多重量子井戸構造を含む受光層を形成する工程とを備える。そしてバッファ層形成工程において、バッファ層の格子定数a2およびInP基板の格子定数a1 、が形式的な格子整合条件の範囲を超えながら、当該バッファ層が前記InP基板からエピタキシャル成長し、バッファ層を、1μm以上の厚みを有するGaSb層から構成することを特徴とする。
The method for manufacturing a light receiving element of the present invention manufactures a light receiving element in which a group III-V compound semiconductor is directly laminated on an InP substrate. This manufacturing method includes a step of preparing an InP substrate transparent to light having a wavelength of 3 μm to 12 μm, a step of forming a buffer layer in contact with the InP substrate, and a lattice matching with the buffer layer in contact with the buffer layer. Forming a light receiving layer including a multiple quantum well structure having a wavelength of 3 μm or more. Then, in the buffer layer forming step, the buffer layer is epitaxially grown from the InP substrate while the lattice constant a 2 of the buffer layer and the lattice constant a 1 of the InP substrate exceed the range of formal lattice matching conditions, And a GaSb layer having a thickness of 1 μm or more.

上記の方法によれば、InP基板に格子整合しないとされる材料であるGaSb層などをバッファ層に用いることで、InP基板上に、MQWをエピタキシャル成長できるほど結晶性の良いバッファ層とすることができる。この結果、上記の理由により波長3μm以上に高い受光感度をもつ受光素子を得ることができる。また、InP基板は安定して結晶性が良好な大口径のもの得ることができ、高品質、高経済性の受光素子を提供することができる。なお、バッファ層はGaSb同等層で形成してもよいことは上記のとおりである。   According to the above method, by using a GaSb layer or the like, which is a material that is not lattice matched to the InP substrate, as the buffer layer, the buffer layer can have a crystallinity that is sufficiently crystalline so that MQW can be epitaxially grown on the InP substrate. it can. As a result, a light receiving element having a light receiving sensitivity as high as 3 μm or more can be obtained for the above reason. Further, the InP substrate can be stably obtained with a large diameter having good crystallinity, and a light receiving element with high quality and high cost can be provided. The buffer layer may be formed of a GaSb equivalent layer as described above.

受光素子の製造方法において、受光層に含まれる多重量子井戸構造を、タイプ2の多重量子井戸構造、{(InAs/GaSb)、(InAs/InGaSb)、(InAsSb/GaSb)および(InAsSb/InGaSb)}のいずれかとすることができる。
これによって、近赤外〜中赤外(波長3μm〜12μm)に高い感度をもつ受光素子を容易に製造することができる。
In the method for manufacturing a light receiving element, the multiple quantum well structure included in the light receiving layer is changed to a type 2 multiple quantum well structure, {(InAs / GaSb), (InAs / InGaSb), (InAsSb / GaSb), and (InAsSb / InGaSb). }.
Accordingly, a light receiving element having high sensitivity in the near infrared to mid infrared (wavelength 3 μm to 12 μm) can be easily manufactured.

受光層の形成工程において、受光層内にpn接合を形成することができる。
上記の構成によって、高い受光感度を持つpin構造の赤外域の受光素子を提供することができる。
In the light receiving layer forming step, a pn junction can be formed in the light receiving layer.
With the above configuration, it is possible to provide an infrared light receiving element having a pin structure and high light receiving sensitivity.

受光層の形成工程において、該受光層に、その受光層に格子整合しているIII−V族化合物半導体からなる格子整合している挿入層を挿入し、該挿入層の伝導帯の底を該受光層の伝導帯の底より高いものとすることができる。
これによって、メサ構造の溝の深さを浅くすることでリーク電流を小さくしながら、高い受光感度を持つnBn(n型層/バリア層/n型層)構造の赤外域の受光素子を製造することができる。
In the light-receiving layer forming step, a lattice-matched insertion layer made of a III-V group compound semiconductor lattice-matched to the light-receiving layer is inserted into the light-receiving layer, and the bottom of the conduction band of the insertion layer is It can be higher than the bottom of the conduction band of the light receiving layer.
As a result, an infrared light-receiving element having an nBn (n-type layer / barrier layer / n-type layer) structure having high light receiving sensitivity is produced while reducing the leakage current by reducing the depth of the mesa structure groove. be able to.

本発明の半導体エピタキシャルウエハの製造方法は、InP基板にIII−V族化合物半導体の半導体エピタキシャルウエハを製造する。この製造方法は、波長3μm〜12μmの光に透明なInP基板を準備する工程と、InP基板に接してバッファ層を形成する工程を備える。前記バッファ層を形成する工程において、バッファ層の格子定数a2およびInP基板の格子定数a1 、が形式的な格子整合条件の範囲を超えているGaSb層からなる当該バッファ層が前記InP基板上に直接エピタキシャル成長しているとともに、前記受光層を形成する工程において、前記バッファ層上に多重量子井戸構造を含む前記受光層がエピタキシャル成長しており、前記バッファ層は、1μm以上の厚みを有し、前記多重量子井戸構造は、Ga元素及びSb元素を構成元素として含むことを特徴とする。 The method for producing a semiconductor epitaxial wafer of the present invention produces a semiconductor epitaxial wafer of a III-V compound semiconductor on an InP substrate. This manufacturing method includes a step of preparing a transparent InP substrate to light of a wavelength 3Myuemu~12myuemu, Ru comprising the step of forming a buffer layer in contact with the InP substrate. In the step of forming the buffer layer, lattice constants a 2 and a lattice constant a 1 of the InP substrate of the buffer layer, but formal consisting GaSb layer is beyond the scope of lattice matching conditions the buffer layer on the InP substrate And in the step of forming the light receiving layer, the light receiving layer including a multiple quantum well structure is epitaxially grown on the buffer layer , and the buffer layer has a thickness of 1 μm or more, The multiple quantum well structure includes a Ga element and an Sb element as constituent elements .

上記の方法によって、良好な結晶性で知られるInP基板を用いて、InPと格子定数が大きく異なる材料であるGaSbなどによってバッファ層を形成することで、格子整合条件を大きく逸脱しながら、比較的良好な結晶性のバッファ層を得ることができる。バッファ層の厚みは、とくに限定しないが、たとえば1μm以上とすることができる、さらに1.5μm以上、さらに2μm以上としてもよい。この半導体エピタキシャルウエハ上に当該バッファ層に格子整合するエピタキシャル層を成長させることができる。なお、バッファ層はGaSb同等層で形成してもよいことは上記のとおりである。   By using the InP substrate known for good crystallinity by the above method and forming a buffer layer with GaSb or the like, which is a material having a lattice constant significantly different from that of InP, it is relatively A good crystalline buffer layer can be obtained. The thickness of the buffer layer is not particularly limited, but may be, for example, 1 μm or more, may be 1.5 μm or more, and may be 2 μm or more. An epitaxial layer lattice-matched to the buffer layer can be grown on the semiconductor epitaxial wafer. The buffer layer may be formed of a GaSb equivalent layer as described above.

本発明の受光素子等によれば、カットオフ波長3μm以上の受光層を得ながら、InP基板を用いているためその対象波長域の光を基板が吸収することがない。このため波長域3μm以上で感度が高い受光素子を得ることができる。また、InP基板は安定して良好な結晶性を有するので、安定して高品質の受光素子等を得ることができる。また、大口径のInP基板を得られるので量産性にも優れる。   According to the light receiving element or the like of the present invention, the InP substrate is used while obtaining a light receiving layer having a cutoff wavelength of 3 μm or more, and thus the substrate does not absorb light in the target wavelength region. Therefore, it is possible to obtain a light receiving element with high sensitivity in the wavelength range of 3 μm or more. In addition, since the InP substrate has stable and good crystallinity, a high-quality light receiving element or the like can be obtained stably. In addition, since a large-diameter InP substrate can be obtained, it is excellent in mass productivity.

本発明の実施の形態1における受光素子を示し、(a)は二次元配列された画素を備える受光素子、(b)は単一画素の受光素子、を示す図である。2A and 2B illustrate a light receiving element according to Embodiment 1 of the present invention, in which FIG. 1A illustrates a light receiving element including two-dimensionally arranged pixels, and FIG. 2B illustrates a single pixel light receiving element. InP基板の透過率を示す図である。It is a figure which shows the transmittance | permeability of an InP board | substrate. GaSb基板の透過率を示す図である。It is a figure which shows the transmittance | permeability of a GaSb board | substrate. 図1(a)の受光素子と読み出し回路とを組み合わせたハイブリッド検出装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the hybrid detection apparatus which combined the light receiving element and read-out circuit of Fig.1 (a). 本発明の半導体エピタキシャルウエハを示す図である。It is a figure which shows the semiconductor epitaxial wafer of this invention. 図1に示す受光素子の製造方法のフローチャートである。It is a flowchart of the manufacturing method of the light receiving element shown in FIG. 本発明の実施の形態2における受光素子を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the light receiving element in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3を示し、(a)はエピタキシャルウエハ、(b)は受光素子、である。Embodiment 3 of the present invention is shown, in which (a) is an epitaxial wafer and (b) is a light receiving element. 実施例における本発明例の半導体エピタキシャルウエハのXRDの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of XRD of the semiconductor epitaxial wafer of the example of this invention in an Example.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における受光素子10を示す図であり、(a)は画素が二次元配列された受光素子、(b)は単一画素の受光素子、を示す図である。どちらも本発明の受光素子であるが、二次元配列された画素をもつ受光素子の説明は、単一画素の受光素子の説明を包含するので、以下では、二次元配列された画素をもつ受光素子について説明する。
図1(a)によれば、受光素子10は次のIII−V族半導体積層構造を備える。
<InP基板1/p型GaSbバッファ層2/タイプ2の(InAs/GaSb)MQW/n型コンタクト層5>
このうち、タイプ2の(InAs/GaSb)MQWが、受光層3である。カットオフ波長3μm以上であり、近赤外〜中赤外(たとえば波長3μm〜12μm)の光に受光感度をもつ。このMQWは、たとえば単一の(InAs/GaSb)を1ペアとして、100〜300ペア程度形成されるのがよい。InAsおよびGaSbの厚みは、2nm〜7nmの範囲、たとえば5nm程度とするのがよい。全体のMQWのうち、InP基板1の側の数十ペアのGaSbにはp型不純物たとえばBeをドープするのがよい。また、全体のMQWのうちコンタクト層5の側の数十ペアをn型層とするためにInAsにSiなどのn型不純物をドープするのがよい。両方の中間の層は、i(intrinsic)型とするために不純物をドープしない。このようなMQWの中の導電型領域の形成によって、pinフォトダイオードを得ることができる。
pn接合またはpin接合は、上記の不純物ドープまたはアンドープにより、MQW3内に形成される。
画素Pの電極11は、n型コンタクト層5にオーミック接触するようにAuGeNi合金等で形成するのがよい。またグランド電極12は、p型GaSbバッファ層2にオーミック接触するようにTi/Pt/Au合金等で形成するのがよい。この際、バッファ層には電極を形成するので、バッファ層は1E18cm−3以上のキャリア濃度を有するのが望ましい。
光は、InP基板1の裏面から入射される。入射光の反射を防止するためにAR(Anti-reflection)膜35がInP基板1の裏面を被覆する。このInP基板1の裏面にAR膜35を配置する構造は、基板側から入射するための構造といってよい。また画素Pの二次元配列自体、読み出し回路との接続に用いられるマイクロバンプ接続方式のため、基板側入射は必然であり、上記の基板側から入射するための構造といってよい。
(Embodiment 1)
1A and 1B are diagrams showing a light receiving element 10 according to Embodiment 1 of the present invention, in which FIG. 1A shows a light receiving element in which pixels are two-dimensionally arranged, and FIG. 1B shows a single pixel light receiving element. is there. Both are the light receiving elements of the present invention, but the description of the light receiving element having the two-dimensionally arranged pixels includes the description of the single pixel light receiving element. The element will be described.
According to FIG. 1A, the light receiving element 10 has the following group III-V semiconductor stacked structure.
<InP substrate 1 / p-type GaSb buffer layer 2 / type 2 (InAs / GaSb) MQW / n-type contact layer 5>
Among these, the type 2 (InAs / GaSb) MQW is the light-receiving layer 3. It has a cutoff wavelength of 3 μm or more, and has light receiving sensitivity to light in the near infrared to mid infrared (for example, wavelength 3 μm to 12 μm). This MQW is preferably formed, for example, by a single (InAs / GaSb) as one pair and about 100 to 300 pairs. The thickness of InAs and GaSb is preferably in the range of 2 nm to 7 nm, for example, about 5 nm. Of the entire MQW, several tens of pairs of GaSb on the InP substrate 1 side are preferably doped with a p-type impurity such as Be. In addition, InAs is preferably doped with an n-type impurity such as Si so that several tens of pairs of the MQWs on the contact layer 5 side of the entire MQW are formed as n-type layers. Both intermediate layers are not doped with impurities to be i (intrinsic) type. By forming the conductive type region in the MQW, a pin photodiode can be obtained.
A pn junction or a pin junction is formed in the MQW 3 by the impurity doping or undoping described above.
The electrode 11 of the pixel P is preferably formed of an AuGeNi alloy or the like so as to make ohmic contact with the n-type contact layer 5. The ground electrode 12 is preferably formed of a Ti / Pt / Au alloy or the like so as to make ohmic contact with the p-type GaSb buffer layer 2. At this time, since an electrode is formed in the buffer layer, the buffer layer preferably has a carrier concentration of 1E18 cm −3 or more.
Light enters from the back surface of the InP substrate 1. An AR (Anti-reflection) film 35 covers the back surface of the InP substrate 1 in order to prevent reflection of incident light. The structure in which the AR film 35 is disposed on the back surface of the InP substrate 1 can be said to be a structure for entering from the substrate side. Further, since the two-dimensional array of pixels P itself is a micro-bump connection method used for connection with a readout circuit, substrate side incidence is inevitable, and it can be said that the structure is incident from the above substrate side.

本実施の形態における特徴は、次の点にある。
(1)InP基板1の格子定数a=5.869Åであり、GaSbの格子定数a=6.095Åであるので、|a−a|/a=0.038(3.8%)である。下層と上層の格子定数の相違が、非常に大きいにもかかわらず、GaSbバッファ層2は、比較的良好な結晶性を有して、InP基板にエピタキシャル成長している。この理由は、現時点で、明らかでない。これまでの研究結果等を総合して推測すると、このような良好な結晶性はGaSbバッファ層の厚みが厚いこと、および、Sb元素がもつサーファクタント効果などの特異性も関係している、と考えられる。
一般に、格子不整合度が大きいほど、成長する層の膜厚は薄くしないとミスフィット転位が増大して結晶性のよいエピタキシャル膜は得られない。このため結晶成長の分野では、臨界膜厚という概念を設けて、その臨界膜厚の厚み以上では、結晶性の良好なエピタキシャル膜は得られないという考え方が一般的となっている。その臨界膜厚は、力学的平衡理論によるMatthews and Blakesleeの式(例えば、A.Braun et.al. Journal of Crystal Growth 241(2002)231-234)、またはエネルギー平衡理論によるPeople and Beanの式によって求められる。これらの式に基づいて臨界膜厚と、格子不整合度との関係を示した図が、「梅野正義、蘇我哲夫:結晶成長ハンドブック(小松啓編,共立出版,1995)p.699」に示されている。InP/GaSbにおいては、上記のように格子不整合度0.038である。上記結晶成長ハンドブックの図によれば、この場合、People and Beanの式によれば約4nm(0.004μm)であり、Matthews and Blakesleeの式によれば約1nm(0.001μm)である。
上記したように、GaSbバッファ層2の厚みは0.2μm以上とするのがよい。したがって、本実施の形態では、GaSbバッファ層2の厚みは、臨界膜厚の数十倍以上あることになる。臨界膜厚を厚く算定するPeople and Beanの式による約4nmに基づいても、50倍以上の厚みを有する。100倍以上の厚みでもよい。
なお、InP基板1上に成長したGaSbバッファ層2は、鏡面を呈して、凹凸がなく平坦である。XRDの主回折ピークのFWHM(半値全幅)は、300秒以下とするのがよい。p型GaSbバッファ層2におけるキャリア濃度は上記オーミック接触を確実に実現するために、1E18cm−3以上とする。
(2)InP基板1は、バンドギャップエネルギが1.35eVである。このバンドギャップは波長1μm弱に対応する。このため、受光層3が対象とする光を吸収しない。図2は、厚み350μmのInP基板の透過率(室温)を、フーリエ変換赤外分光光度計(FT−IR)で測定した結果を示す図である。Feドープ(高抵抗)InP基板は波長2μm〜12μmの波長域で透明であり、吸収帯がない。なお、図2は、硫黄ドープInP基板の透過率も記載するが、波長5μm以上ではほとんど透過率はゼロである。波長5μm未満において透過率が低いのは裏面粗研磨の影響である。波長5μm以上で透過率がゼロであるため、硫黄含有InP基板は、本発明が対象とする赤外域の受光素子の基板には使用することはできない。
カットオフ波長3μm以上のタイプ2のMQWを形成する場合、MQWの層を構成する材料には、InPよりも格子定数の大きいIII−V族化合物半導体を用いるのが普通である。InPに格子整合するIII−V族化合物半導体を用いたのでは、たとえタイプ2のMQWによって受光の際の電子の遷移エネルギ差を小さくしたとしても、カットオフ波長3μm以上を実現することはできない。
カットオフ波長3μm以上を、タイプ2のMQWで実現する場合、たとえばGaSb基板を用いるのが普通である。このような格子定数の大きいIII−V族化合物半導体は、近赤外〜中赤外の波長域に吸収帯を持つ場合が多い。たとえば、GaSbは、図3に示すように中赤外域に自由キャリアによる吸収を持つ。図3は、厚み500μmのGaSb基板の透過率(室温)をFT−IRで測定した結果を示す図である。図3によれば、アンドープGaSb基板は、波長5μm以上で透過率はほとんどゼロである。また、アンドープGaSb基板よりも少し透過率が高いTeドープGaSb基板についても、透過率は、波長5μm付近の70%程度から徐々に低下し、波長6.5μm付近で50%程度になり、波長8μm以上で25%以下に低下している。このような透過率を示すGaSb基板を赤外域を対象とする受光素子用いることは難しい。たとえば、エピタキシャルウエハを製造したあと、GaSb基板を削除するか、大幅に減厚する必要があり、工数の増大および品質劣化を招く。
しかし、上記によれば、近赤外〜中赤外に吸収帯を持たないInP基板に結晶性の良いGaSbバッファ層2を成長でき、そのGaSbバッファ層2上にカットオフ波長3μm以上のタイプ2の(InAs/GaSb)MQWを形成している。この結果、厚みが大きいInP基板1が、対象とする光を吸収することはない。この結果、受光対象の光に対する感度を向上させることができる。
(3)GaSb基板に比べて、良好な結晶性のInP基板を安定して得ることができる。このため、InP基板1/GaSbバッファ層2/(InAs/GaSb)MQWからなる受光層3、とエピタキシャル成長しても、良好な結晶性の(InAs/GaSb)MQWからなる受光層3を、どの部分でも、またどの機会にも得ることができる。この結果、特性が均一な素子を、歩留まり良く製造することができる。
さらにInP基板はGaSb基板に比べて、大口径のものを得られるので量産性に優れている。さらに、InP基板はGaSb基板に比べて安価であるので、経済性に優れた受光素子10、ひいては検出装置50を提供することができる。
The feature in the present embodiment is as follows.
(1) a lattice constant a 1 = 5.869Å of the InP substrate 1, since the lattice constant a 2 = 6.095Å of GaSb, | a 2 -a 1 | / a 1 = 0.038 (3.8 %). Although the difference in lattice constant between the lower layer and the upper layer is very large, the GaSb buffer layer 2 has relatively good crystallinity and is epitaxially grown on the InP substrate. The reason for this is not clear at this time. Based on the past research results, it is considered that such good crystallinity is related to the thickness of the GaSb buffer layer and the specificity of the Sb element such as the surfactant effect. It is done.
In general, the greater the degree of lattice mismatch, the more misfit dislocations increase unless the film thickness of the layer to be grown is reduced, and an epitaxial film with good crystallinity cannot be obtained. For this reason, in the field of crystal growth, the concept of a critical film thickness is generally provided, and the idea that an epitaxial film with good crystallinity cannot be obtained beyond the critical film thickness. The critical film thickness is determined by the Matthews and Blakeslee equation (for example, A. Braun et.al. Journal of Crystal Growth 241 (2002) 231-234) according to the mechanical equilibrium theory or the People and Bean equation according to the energy equilibrium theory. Desired. A diagram showing the relationship between the critical film thickness and the degree of lattice mismatch based on these equations is shown in “Masayoshi Umeno, Tetsuo Soga: Crystal Growth Handbook (Kematsu Keisho, Kyoritsu Shuppan, 1995) p. 699”. Has been. InP / GaSb has a lattice mismatch of 0.038 as described above. According to the above-mentioned crystal growth handbook, in this case, it is about 4 nm (0.004 μm) according to the People and Bean equation and about 1 nm (0.001 μm) according to the Matthews and Blakeslee equation.
As described above, the thickness of the GaSb buffer layer 2 is preferably 0.2 μm or more. Therefore, in the present embodiment, the thickness of the GaSb buffer layer 2 is several tens of times the critical film thickness. Even based on approximately 4 nm according to the People and Bean equation for calculating the critical film thickness, the thickness is 50 times or more. The thickness may be 100 times or more.
The GaSb buffer layer 2 grown on the InP substrate 1 has a mirror surface and is flat without unevenness. The FWHM (full width at half maximum) of the main diffraction peak of XRD is preferably 300 seconds or less. The carrier concentration in the p-type GaSb buffer layer 2 is 1E18 cm −3 or more in order to reliably realize the ohmic contact.
(2) The InP substrate 1 has a band gap energy of 1.35 eV. This band gap corresponds to a wavelength of less than 1 μm. For this reason, the light receiving layer 3 does not absorb the target light. FIG. 2 is a diagram showing the results of measuring the transmittance (room temperature) of an InP substrate having a thickness of 350 μm with a Fourier transform infrared spectrophotometer (FT-IR). The Fe-doped (high resistance) InP substrate is transparent in the wavelength range of 2 μm to 12 μm and has no absorption band. FIG. 2 also shows the transmittance of the sulfur-doped InP substrate, but the transmittance is almost zero at a wavelength of 5 μm or more. The low transmittance at a wavelength of less than 5 μm is due to the effect of rough back polishing. Since the transmittance is zero at a wavelength of 5 μm or more, the sulfur-containing InP substrate cannot be used as a substrate of an infrared light receiving element targeted by the present invention.
When forming a type 2 MQW having a cutoff wavelength of 3 μm or more, it is common to use a group III-V compound semiconductor having a lattice constant larger than that of InP as the material constituting the MQW layer. If a group III-V compound semiconductor lattice-matched to InP is used, a cut-off wavelength of 3 μm or more cannot be realized even if the difference in transition energy of electrons during light reception is reduced by type 2 MQW.
When realizing a cutoff wavelength of 3 μm or more with a type 2 MQW, for example, a GaSb substrate is usually used. Such a group III-V compound semiconductor having a large lattice constant often has an absorption band in the near-infrared to mid-infrared wavelength region. For example, GaSb has absorption by free carriers in the mid-infrared region as shown in FIG. FIG. 3 is a diagram showing the results of measuring the transmittance (room temperature) of a GaSb substrate having a thickness of 500 μm by FT-IR. According to FIG. 3, the undoped GaSb substrate has a transmittance of almost zero at a wavelength of 5 μm or more. Also, the Te-doped GaSb substrate, which has a slightly higher transmittance than the undoped GaSb substrate, gradually decreases in transmittance from about 70% near the wavelength of 5 μm to about 50% near the wavelength of 6.5 μm, and the wavelength of 8 μm. It has fallen to 25% or less by the above. It is difficult to use a GaSb substrate exhibiting such a transmittance as a light-receiving element for the infrared region. For example, after manufacturing an epitaxial wafer, it is necessary to delete the GaSb substrate or greatly reduce the thickness, which leads to an increase in man-hours and a deterioration in quality.
However, according to the above, the GaSb buffer layer 2 having good crystallinity can be grown on an InP substrate having no absorption band in the near infrared to mid infrared, and the type 2 having a cutoff wavelength of 3 μm or more is formed on the GaSb buffer layer 2. (InAs / GaSb) MQW is formed. As a result, the InP substrate 1 having a large thickness does not absorb the target light. As a result, the sensitivity to the light to be received can be improved.
(3) Compared with a GaSb substrate, an InP substrate having good crystallinity can be obtained stably. For this reason, any portion of the InP substrate 1 / GaSb buffer layer 2 / (InAs / GaSb) MQW light-receiving layer 3 and the light-receiving layer 3 made of (InAs / GaSb) MQW having good crystallinity even when epitaxially grown. But you can get it on any occasion. As a result, elements with uniform characteristics can be manufactured with high yield.
Furthermore, since the InP substrate can be obtained with a larger diameter than the GaSb substrate, it is excellent in mass productivity. Furthermore, since the InP substrate is less expensive than the GaSb substrate, the light receiving element 10 and thus the detection device 50 that are excellent in economic efficiency can be provided.

図4は、図1の受光素子10と、シリコン(Si)に形成された読み出し回路70とを接続したハイブリッド検出装置を示す図である。読み出し回路70はCMOS(Complimentary Metal Oxide Semiconductor)である。n型コンタクト層5に導電接続する画素電極11は、読み出し電極71と、それぞれのバンプ9,79を介在させて導電接続されている。またp型バッファ層2に導電接続するグランド電極12は、配線電極12eを保護膜43に沿って伝わらせて画素電極11の高さに揃えて、CMOSのグランド電極72と、バンプを介在させて導電接続させている。
上記のようなバンプを介在させたマイクロバンプ接続方式の接続によれば、画素ピッチを小さくして高密度の画素としても、コンパクトな小型化した検出装置を得ることができる。
FIG. 4 is a diagram showing a hybrid detection apparatus in which the light receiving element 10 of FIG. 1 and a readout circuit 70 formed on silicon (Si) are connected. The read circuit 70 is a CMOS (Complimentary Metal Oxide Semiconductor). The pixel electrode 11 that is conductively connected to the n-type contact layer 5 is conductively connected to the readout electrode 71 with the bumps 9 and 79 interposed therebetween. The ground electrode 12 conductively connected to the p-type buffer layer 2 has the wiring electrode 12e transmitted along the protective film 43 so as to be aligned with the height of the pixel electrode 11, and a CMOS ground electrode 72 and bumps interposed therebetween. Conductive connection.
According to the connection of the micro bump connection system with the bumps interposed as described above, a compact and downsized detection device can be obtained even if the pixel pitch is reduced and the pixels are high density.

図5は、図1の受光素子10を作製する途中の工程における半導体エピタキシャルウエハ1aを示す平面図である。受光素子10の仕様によるが、30μmピッチで約8万個の画素が縦横に配列された、8.5mm×10mmのチップ(受光素子)の場合、2インチ径のInP基板から、約11個、取得することができる。4インチ径のInP基板からは約52個を取得することができる。上記のように、GaSb基板を用いるよりも大口径のInP基板を用いることで高い量産性を得ることができる。
図5に示す半導体エピタキシャルウエハ1aは、InP基板上にGaSbバッファ層が成長された状態である。GaSbバッファ層は、厚み1μm以上であり、鏡面を呈しており、凹凸がなく平坦である。かつ、XRDによる主ピークのFWHMは300秒以下である。しかしながら、|a−a|/a=約0.038(3.8%)である。このような良好な結晶性は、GaSbバッファ層の厚みが厚いことに由来すると考えられる。
受光素子10は、受光層3、コンタクト層5、メサ構造、電極11,12を形成されて、チップの輪郭が次第に明確になった状態で、半導体エピタキシャルウエハ1aから個片化される。図5は、GaSbバッファ層2を形成した段階の図である。
FIG. 5 is a plan view showing the semiconductor epitaxial wafer 1a in a process in the middle of manufacturing the light receiving element 10 of FIG. Depending on the specifications of the light receiving element 10, in the case of an 8.5 mm × 10 mm chip (light receiving element) in which about 80,000 pixels are arranged vertically and horizontally at a pitch of 30 μm, about 11 pieces from a 2 inch diameter InP substrate, Can be acquired. About 52 pieces can be obtained from a 4-inch diameter InP substrate. As described above, higher mass productivity can be obtained by using a large-diameter InP substrate than using a GaSb substrate.
The semiconductor epitaxial wafer 1a shown in FIG. 5 is in a state where a GaSb buffer layer is grown on an InP substrate. The GaSb buffer layer has a thickness of 1 μm or more, exhibits a mirror surface, and is flat without unevenness. And the FWHM of the main peak by XRD is 300 seconds or less. However, | a 2 −a 1 | / a 1 = about 0.038 (3.8%). Such good crystallinity is considered to be derived from the fact that the GaSb buffer layer is thick.
The light receiving element 10 is separated from the semiconductor epitaxial wafer 1a in a state in which the light receiving layer 3, the contact layer 5, the mesa structure, and the electrodes 11 and 12 are formed and the outline of the chip becomes gradually clear. FIG. 5 is a diagram of the stage where the GaSb buffer layer 2 is formed.

図6は、図1の受光素子10の製造方法を示すフローチャートである。まず、InP基板を準備して、洗浄をしたあとGaSbバッファ層2を厚み1μm以上に成長する。成長法は、とくに限定はないが、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法、MOVPE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法などを用いることができる。バッファ層成長後、タイプ2の(InAs/GaSb)MQWの受光層3を成長する。タイプ2の遷移(受光)は、InAsとGaSbとの界面を挟んで行われるので、界面の数が多いほうが長波長側の受光感度を高くする。このため、長波長側の感度を重視する場合、MQWは全体で150ペア程度以上とするのがよい。受光層3すなわち上記のMQW内にpn接合を形成するために、MQW成長中に、InP基板1に近い側のMQW50ペア程度のGaSbにp型不純物Beをドープする。そのあとに形成するMQWは、アンドープとして真性半導体(i型:intrinsic)とする。その後、最終のMQW50ペア程度のInAsにn型不純物Siをドープする。これによって、pin型またはnip型フォトダイオードを得ることができる。pin接合もpn接合の中の一種である。また、構造によっては受光層内にはpi接合しかない場合もあるが、電極が接触する領域まで考えれば、pin接合となる。これも受光層内に位置するpn接合と解釈することができる。
次いで、エッチングによって、画素Pの間にトレンチを入れたメサ構造を形成する。エッチングは、リン酸+過酸化水素水+水によるウエットエッチング、もしくはヨウ化水素や塩化シリコンガスによるドライエッチングで行う。これによって、各画素Pは周りの画素から独立して、クロストークなどを防ぐことができる。次いで、図1に示すように、メサ構造の表面を保護する保護膜(パッシベーション膜)43によって表面を被覆する。保護膜(パッシベーション膜)43には、SiO膜などを用いるのがよい。
このあと、フォトリソグラフィによって画素電極11およびグランド電極12を形成する。
FIG. 6 is a flowchart showing a method for manufacturing the light receiving element 10 of FIG. First, an InP substrate is prepared and cleaned, and then a GaSb buffer layer 2 is grown to a thickness of 1 μm or more. The growth method is not particularly limited, and MBE (Molecular Beam Epitaxy) method, MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy) method and the like can be used. After growing the buffer layer, the type 2 (InAs / GaSb) MQW light-receiving layer 3 is grown. Since type 2 transition (light reception) is performed across the interface between InAs and GaSb, the greater the number of interfaces, the higher the light reception sensitivity on the long wavelength side. Therefore, when the sensitivity on the long wavelength side is important, the MQW is preferably about 150 pairs or more as a whole. In order to form a pn junction in the light receiving layer 3, that is, the MQW described above, p-type impurity Be is doped into about 50 MQW GaSb near the InP substrate 1 during MQW growth. The MQW formed thereafter is an intrinsic semiconductor (i-type: intrinsic) as undoped. Thereafter, n-type impurity Si is doped into the final InAs of about 50 MQW pairs. As a result, a pin-type or nip-type photodiode can be obtained. The pin junction is also a kind of pn junction. In addition, depending on the structure, there may be only a pi junction in the light receiving layer, but when considering the region where the electrode contacts, a pin junction is obtained. This can also be interpreted as a pn junction located in the light receiving layer.
Next, a mesa structure in which a trench is inserted between the pixels P is formed by etching. Etching is performed by wet etching with phosphoric acid + hydrogen peroxide water + water, or dry etching with hydrogen iodide or silicon chloride gas. As a result, each pixel P can prevent crosstalk and the like independently of surrounding pixels. Next, as shown in FIG. 1, the surface is covered with a protective film (passivation film) 43 that protects the surface of the mesa structure. As the protective film (passivation film) 43, an SiO 2 film or the like is preferably used.
Thereafter, the pixel electrode 11 and the ground electrode 12 are formed by photolithography.

上記の受光素子10は、InP基板1上のGaSbバッファ層2上に、カットオフ波長3μm以上のタイプ2の(InAs/GaSb)MQWの受光層3を備えることで、基板裏面入射の場合でも、厚みの大きいInP基板1が対象波長の光を吸収しないので、受光感度を高めることができる。
また、結晶性に優れたInP基板を用いることで、確実な理由は不明であるが、格子欠陥密度の小さいタイプ2の(InAs/GaSb)MQWの受光層3を得ることができ、受光素子の暗電流を低くすることができる。
さらに、InP基板はGaSbに比べて安価であるので、経済性に優れた受光素子および検出装置を提供することができる。
The light receiving element 10 includes the light receiving layer 3 of type 2 (InAs / GaSb) MQW having a cutoff wavelength of 3 μm or more on the GaSb buffer layer 2 on the InP substrate 1, so that even in the case of substrate back-side incidence, Since the InP substrate 1 having a large thickness does not absorb light of the target wavelength, the light receiving sensitivity can be increased.
In addition, by using an InP substrate having excellent crystallinity, a reliable reason is unknown, but a type 2 (InAs / GaSb) MQW light-receiving layer 3 having a low lattice defect density can be obtained. Dark current can be reduced.
Furthermore, since the InP substrate is less expensive than GaSb, it is possible to provide a light receiving element and a detection device that are excellent in economic efficiency.

(実施の形態2)
図7は、本発明の実施の形態2における受光素子10を示す断面図である。この受光素子10では、画素Pは、SiN選択拡散マスクパターン36の開口部から選択拡散されたn型領域6およびそのn型領域6の先端に位置するpn接合15を、主要部分として備える。pn接合15は、受光層3の中に届いている。また上述のように、pi接合であってもよい。各画素Pは、周りの画素と選択拡散されていない領域によって隔てられている。
III−V族化合物半導体の積層体の構成は、<InP基板1/p型GaSbバッファ層2/タイプ2の(InAs/GaSb)MQWの受光層3/p型コンタクト層55>、である。本実施の形態では、画素電極11が接触する領域はn型不純物が選択拡散されたn型領域6である。各画素Pは、選択拡散されていない領域で隔てられ、結晶層はそのままの状態を保つ。このため、メサ構造のように画素の側壁が露出されることがないので、結晶が損傷されにくい。この結果、低い暗電流を実現しやすい。
その他の構成および作用については、実施の形態1の説明がそのまま当てはまる。
(Embodiment 2)
FIG. 7 is a cross-sectional view showing the light receiving element 10 according to the second embodiment of the present invention. In the light receiving element 10, the pixel P includes an n-type region 6 selectively diffused from the opening of the SiN selective diffusion mask pattern 36 and a pn junction 15 positioned at the tip of the n-type region 6 as main parts. The pn junction 15 reaches the light receiving layer 3. Further, as described above, a pi junction may be used. Each pixel P is separated from surrounding pixels by a region that is not selectively diffused.
The structure of the III-V compound semiconductor stack is <InP substrate 1 / p-type GaSb buffer layer 2 / type 2 (InAs / GaSb) MQW light-receiving layer 3 / p-type contact layer 55>. In the present embodiment, the region in contact with the pixel electrode 11 is the n-type region 6 in which n-type impurities are selectively diffused. Each pixel P is separated by a region that is not selectively diffused, and the crystal layer remains as it is. For this reason, since the side walls of the pixels are not exposed unlike the mesa structure, the crystal is hardly damaged. As a result, it is easy to realize a low dark current.
For other configurations and operations, the description of the first embodiment is applied as it is.

(実施の形態3)
図8(a)は、本発明の実施の形態3におけるエピタキシャルウエハ、また図8(b)は本発明の実施の形態3における受光素子10、を示す断面図である。図8(a)のエピタキシャルウエハは、次の積層構造を有する。
<FeドープInP(100)基板101/TeドープGaSbバッファ層2/(InAs/GaSb)のn型MQW21からなる受光層/(InAs/GaSb)のn型MQW22からなる受光層/上下のMQWよりも、伝導帯の底が高いバリア層23/(InAs/GaSb)のn型MQW24からなるコンタクト層>
受光層を形成するn型MQW21,n型MQW22のうち、バッファ層2に接する側の数十ペア、たとえば60ペアのn型MQW21は、n型キャリア濃度2e18cm−3以上とする。この場合、InAsにn型不純物のシリコン(Si)をドープしてGaSbにはドープしない。n型MQW21の上に位置する(InAs/GaSb)のn型MQW22は、たとえば100ペアであり、n型キャリア濃度1E16cm−3とする。バリア層23は、広いバンドギャップを持ち、伝導帯の底が、上下のMQWの伝導帯の底より高いAlGaSb、AlAsSbなどを用いることができる。単層を用いるのが普通であるが、MQWでもよい。画素電極11が配置されることになるコンタクト層は、たとえば20ペアであり、キャリア濃度2e18cm−3以上のn型MQW24である。
(Embodiment 3)
FIG. 8A is a cross-sectional view showing the epitaxial wafer in the third embodiment of the present invention, and FIG. 8B is a cross-sectional view showing the light receiving element 10 in the third embodiment of the present invention. The epitaxial wafer shown in FIG. 8A has the following laminated structure.
<Fe-doped InP (100) substrate 101 / Te-doped GaSb buffer layer 2 / (InAs / GaSb) n + -type MQW21 light-receiving layer / (InAs / GaSb) n-type MQW22 / upper and lower MQW Also, a contact layer made of n + type MQW24 of barrier layer 23 / (InAs / GaSb) having a high bottom of the conduction band>
Of the n + -type MQW 21 and n-type MQW 22 that form the light-receiving layer, tens of pairs on the side in contact with the buffer layer 2, for example, 60 pairs of n + -type MQW 21 have an n-type carrier concentration of 2e18 cm −3 or more. In this case, InAs is doped with n-type impurity silicon (Si) and GaSb is not doped. The n-type MQW 22 of (InAs / GaSb) positioned on the n + -type MQW 21 is, for example, 100 pairs and has an n-type carrier concentration of 1E16 cm −3 . For the barrier layer 23, AlGaSb, AlAsSb, or the like having a wide band gap and having a conduction band bottom that is higher than the bottom of the upper and lower MQW conduction bands can be used. A single layer is usually used, but MQW may be used. The contact layer in which the pixel electrode 11 is to be arranged is, for example, 20 pairs, and is an n + type MQW 24 having a carrier concentration of 2e18 cm −3 or more.

図8(b)に示す受光素子10において、画素Pは、n型MQW24のコンタクト層のみ、またはバリア層の一部に至るまで、をメサエッチングすることで、周縁部から分離する。図示していないが、画素がアレイ化されている場合は、n型MQW24のコンタクト層のみをメサエッチングすることで、隣の画素から分離する。画素電極11は、n型MQW24のn型コンタクト層にオーミック接触するようにTi/Pt/Au合金等で形成する。またグランド電極12は、バッファ層2に接して位置するn型MQW21にオーミック接触するように、Ti/Pt/Au合金等を用いるのがよい。本実施の形態では、画素電極11およびグランド電極12ともに、n側電極である。
本実施の形態における受光素子10では、受光によって生成する電子−正孔対のうち、拡散して画素電極に到達する正孔を捕捉することで、受光を検出する。正孔の画素電極への移動は拡散によるため、画素分離をするメサ構造の溝を浅くすることができる。この結果、メサ構造の側壁を流れるノイズ電流を低く抑えることができる。
検出装置を構成するには、実施の形態1と同様に、AR膜、保護膜等で表面を被覆する。そして、バンプを介在させて、画素電極11と、読み出し回路(ROIC:Read-out IC)の読み出し電極とを導電接続させる。グランド電極同士も導電接続する。
本実施の形態において、InP基板上にGaSbバッファ層2を設ける利点等は、実施の形態1、2と共通する。
In the light receiving element 10 shown in FIG. 8B, the pixel P is separated from the peripheral portion by mesa etching only the contact layer of the n + -type MQW 24 or a part of the barrier layer. Although not shown, when pixels are arranged in an array, only the contact layer of the n + -type MQW 24 is mesa-etched to be separated from the adjacent pixels. The pixel electrode 11 is formed of a Ti / Pt / Au alloy or the like so as to make ohmic contact with the n type contact layer of the n + type MQW 24. The ground electrode 12 is preferably made of Ti / Pt / Au alloy or the like so as to make ohmic contact with the n + type MQW 21 positioned in contact with the buffer layer 2. In the present embodiment, both the pixel electrode 11 and the ground electrode 12 are n-side electrodes.
In the light receiving element 10 in the present embodiment, light reception is detected by capturing holes that diffuse and reach the pixel electrode among the electron-hole pairs generated by light reception. Since the movement of the holes to the pixel electrode is due to diffusion, the mesa structure groove for pixel separation can be shallowed. As a result, the noise current flowing through the side wall of the mesa structure can be kept low.
In order to configure the detection device, the surface is covered with an AR film, a protective film, or the like, as in the first embodiment. Then, the pixel electrode 11 and a readout electrode of a readout circuit (ROIC: Read-out IC) are conductively connected through a bump. The ground electrodes are also conductively connected.
In this embodiment, the advantages of providing the GaSb buffer layer 2 on the InP substrate are the same as those in the first and second embodiments.

図5に示す半導体エピタキシャルウエハ1aを作製して検証を行った。本発明例の半導体エピタキシャルウエハの作製方法は、次のとおりである。
<作製方法>:
InP基板上にMBE法によってGaSbバッファ層を成長した。V/III比は3.9とし、基板温度400℃で、厚み2μmにGaSbバッファ層を成長した。成長速度は、1.1μm/時間(約1ML/秒)とした。上記の方法で作製した半導体エピタキシャルウエハに対して、金属顕微鏡による観察と、XRD測定とを行った。
The semiconductor epitaxial wafer 1a shown in FIG. 5 was produced and verified. The method for producing the semiconductor epitaxial wafer of the example of the present invention is as follows.
<Production method>:
A GaSb buffer layer was grown on the InP substrate by MBE. A GaSb buffer layer was grown to a thickness of 2 μm at a substrate temperature of 400 ° C. with a V / III ratio of 3.9. The growth rate was 1.1 μm / hour (about 1 ML / second). The semiconductor epitaxial wafer produced by the above method was observed with a metal microscope and XRD measurement.

<金属顕微鏡による観察>:
GaSbバッファ層の表面は鏡面であった。かつ平滑であった。さらに微小な凹凸などまったく観察されなかった。
<XRD>:
結果を図9に示す。図9には、InP基板の鋭い主ピーク(100)と共に、GaSbバッファ層の主ピークも得られている。GaSbバッファ層の主ピークは、InP基板ほど良好ではないが、結晶性の指標であるFWHMは、218.5秒である。良好な結晶性を示しているといえる。InP基板全面をGaSbバッファ層で被覆した状態で、InP基板およびGaSbの主回折ピークが得られたことから、GaSbバッファ層の主回折ピークは、当該GaSbバッファ層の厚み全体に由来すると考えられる。
InP基板の主ピークとGaSbバッファ層の主ピークとの回折角の差Δωから、|a−a|/a=Δa/aを算出することができ、0.0382であった。このような大きい格子定数差の下層(InP基板)と上層(GaSbバッファ層)とでは、鏡面を呈するGaSbバッファ層を得られることは通常は難しい。バッファ層の膜厚を厚くすることが好影響を及ぼしていると考えられる。
<Observation with metal microscope>:
The surface of the GaSb buffer layer was a mirror surface. And it was smooth. Furthermore, no minute irregularities were observed.
<XRD>:
The results are shown in FIG. In FIG. 9, the main peak of the GaSb buffer layer is obtained together with the sharp main peak (100) of the InP substrate. The main peak of the GaSb buffer layer is not as good as that of the InP substrate, but the FWHM, which is an index of crystallinity, is 218.5 seconds. It can be said that the crystallinity is good. Since the main diffraction peaks of the InP substrate and GaSb were obtained with the entire surface of the InP substrate covered with the GaSb buffer layer, the main diffraction peak of the GaSb buffer layer is considered to be derived from the entire thickness of the GaSb buffer layer.
From the diffraction angle difference Δω between the main peak of the InP substrate and the main peak of the GaSb buffer layer, | a 2 −a 1 | / a 1 = Δa / a was calculated, which was 0.0382. It is usually difficult to obtain a GaSb buffer layer having a mirror surface between the lower layer (InP substrate) and the upper layer (GaSb buffer layer) having such a large lattice constant difference. It is considered that increasing the thickness of the buffer layer has a positive effect.

上記の半導体エピタキシャルウエハ1aによれば、良好な結晶性のGaSbバッファ層に接して格子定数の大きいタイプ2のMQWの受光層を成長することができる。この受光層はカットオフ波長3μm以上であり、InP基板は、当該波長域の光を吸収しない。これに対してGaSb基板を用いた場合、上記波長域に自由キャリアによる吸収帯をもつ。基板は厚みが大きいためこの吸収は深刻な感度低下を生じる。本発明例のように、InP基板を用いることで、基板による吸収の問題を回避して、波長3μm以上に高い感度を保持することができる。   According to the semiconductor epitaxial wafer 1a, a type 2 MQW light-receiving layer having a large lattice constant can be grown in contact with a GaSb buffer layer having good crystallinity. This light receiving layer has a cutoff wavelength of 3 μm or more, and the InP substrate does not absorb light in the wavelength region. On the other hand, when a GaSb substrate is used, it has an absorption band due to free carriers in the wavelength range. Since the substrate is thick, this absorption causes a serious reduction in sensitivity. By using an InP substrate as in the example of the present invention, it is possible to avoid the problem of absorption by the substrate and maintain high sensitivity at a wavelength of 3 μm or more.

上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。   Although the embodiments and examples of the present invention have been described above, the embodiments and examples of the present invention disclosed above are merely examples, and the scope of the present invention is the implementation of these inventions. It is not limited to the form. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.

本発明の受光素子等によれば、近赤外域〜中赤外域にわたって高い受光感度を保持することができる。また、基板に、安定した品質、大口径、および経済性に優れたInP基板を用いるので、高品質の受光素子等を安価に提供することができる。   According to the light receiving element and the like of the present invention, high light receiving sensitivity can be maintained over the near infrared region to the mid infrared region. In addition, since an InP substrate having stable quality, large diameter, and economy is used for the substrate, a high-quality light receiving element or the like can be provided at low cost.

1 InP基板、2 GaSbバッファ層、3 受光層、5 n型コンタクト層、6 n型領域、9 受光素子のバンプ、10 受光素子、11 画素電極、12 グランド電極、12e 配線電極、15 pn接合、21 n型MQW、22 n型MQW、23 バリア層、24 n型MQW、35 反射防止膜、36 選択拡散マスクパターン、43 保護膜、50 ハイブリッド検出装置、55 p型コンタクト層、70 読み出し回路、71 読み出し電極、72 グランド電極、73 絶縁膜、79 バンプ、101 FeドープInP(100)基板、P 画素。
1 InP substrate, 2 GaSb buffer layer, 3 light-receiving layer, 5 n-type contact layer, 6 n-type region, 9 light-receiving element bump, 10 light-receiving element, 11 pixel electrode, 12 ground electrode, 12e wiring electrode, 15 pn junction, 21 n + type MQW, 22 n type MQW, 23 barrier layer, 24 n + type MQW, 35 antireflection film, 36 selective diffusion mask pattern, 43 protective film, 50 hybrid detector, 55 p type contact layer, 70 readout circuit , 71 readout electrode, 72 ground electrode, 73 insulating film, 79 bump, 101 Fe-doped InP (100) substrate, P pixel.

Claims (6)

III−V族化合物半導体が積層された受光素子の製造方法であって、
波長3μm〜12μmの光に透明なInP基板を準備する工程と、
前記InP基板に接してバッファ層を形成する工程と、
前記バッファ層に接して該バッファ層に格子整合する、カットオフ波長3μm以上の多重量子井戸構造を含む受光層を形成する工程とを備え、
前記バッファ層形成工程において、前記バッファ層の格子定数a2 および前記InP基板の格子定数a1 、が形式的な格子整合条件の範囲を超えているGaSb層からなる当該バッファ層が前記InP基板直接エピタキシャル成長しているとともに、
前記受光層を形成する工程において、前記バッファ層上に前記多重量子井戸構造を含む前記受光層がエピタキシャル成長しており、
前記バッファ層は、1μm以上の厚みを有し、
前記多重量子井戸構造は、Ga元素及びSb元素を構成元素として含むことを特徴とする、受光素子の製造方法。
A manufacturing method of a light receiving element in which a group III-V compound semiconductor is laminated,
Preparing a transparent InP substrate for light having a wavelength of 3 μm to 12 μm;
Forming a buffer layer in contact with the InP substrate;
Forming a light receiving layer including a multiple quantum well structure having a cutoff wavelength of 3 μm or more, in contact with the buffer layer and lattice-matching to the buffer layer,
In the buffer layer forming step, the buffer layer made of a GaSb layer in which the lattice constant a 2 of the buffer layer and the lattice constant a 1 of the InP substrate exceed the range of formal lattice matching conditions is formed on the InP substrate . with is directly epitaxial growth,
In the step of forming the light receiving layer, the light receiving layer including the multiple quantum well structure is epitaxially grown on the buffer layer,
The buffer layer may have a thickness of at least 1 [mu] m,
The method for manufacturing a light receiving element, wherein the multiple quantum well structure includes a Ga element and an Sb element as constituent elements .
前記波長3μm〜12μmの光に透明なInP基板が、硫黄(S)を添加していないInP基板であることを特徴とする、請求項1に記載の受光素子の製造方法。   The method for manufacturing a light receiving element according to claim 1, wherein the InP substrate transparent to light having a wavelength of 3 μm to 12 μm is an InP substrate to which sulfur (S) is not added. 前記波長3μm〜12μmの光に透明なInP基板が、Fe含有InP基板またはノンドープInP基板であることを特徴とする、請求項1または2に記載の受光素子の製造方法。   The method for manufacturing a light receiving element according to claim 1, wherein the InP substrate transparent to light having a wavelength of 3 μm to 12 μm is a Fe-containing InP substrate or a non-doped InP substrate. 前記多重量子井戸構造を、タイプ2の多重量子井戸構造、{(InAs/GaSb)、(InAs/InGaSb)、(InAsSb/GaSb)および(InAsSb/InGaSb)}のいずれかとすることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の受光素子の製造方法。   The multiple quantum well structure is any one of a type 2 multiple quantum well structure, {(InAs / GaSb), (InAs / InGaSb), (InAsSb / GaSb) and (InAsSb / InGaSb)}. The manufacturing method of the light receiving element of any one of Claims 1-3. 前記受光層の形成工程において、前記受光層内にpn接合を形成することを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の受光素子の製造方法。   5. The method for manufacturing a light receiving element according to claim 1, wherein, in the step of forming the light receiving layer, a pn junction is formed in the light receiving layer. 前記受光層の形成工程において、該受光層に、その受光層に格子整合しているIII−V族化合物半導体からなる挿入層を挿入し、該挿入層の伝導帯の底を該受光層の伝導帯の底より高いものとすることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の受光素子の製造方法。
In the step of forming the light receiving layer, an insertion layer made of a group III-V compound semiconductor lattice-matched to the light receiving layer is inserted into the light receiving layer, and the bottom of the conduction band of the insertion layer is conducted to the conduction of the light receiving layer. The method for manufacturing a light receiving element according to claim 1, wherein the light receiving element is higher than a bottom of the belt.
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